EV100變頻器用于中央空調節能改造

█ 前言

中央空調是現代大廈物業、賓館、商場不可缺少的設施，它能帶給人們四季如春，溫馨舒適的每一天，由于中央空調功率大，耗能大，加上設計上存在“大馬拉小車”的現象，支付中央空調所用電費是用戶一項巨大的開支。因為季節的變化、晝夜的變化、賓館酒樓客人入住率的變化、娛樂場所開放時間的變化等等，從而導致中央空調系統對室內熱源吸收量的變化，再加之工藝設計上電機功率設計有相當的富裕量，因此，存在明顯的節電空間。將變頻技術引入中央空調系統，保持室內恒溫，對其進行的節能改造是降本增效的一條捷徑。

█ 中央空調系統

圖1所示為一典型中央空調機組系統圖，主要由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及主機三部分組成：

圖1  中央空調系統原理圖

● 冷凍水循環系統

該部分由冷凍泵、室內風機及冷凍水管道等組成。從主機蒸發器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道（出水），進入室內進行熱交換，帶走房間內的熱量，最后回到主機蒸發器（回水）。室內風機用于將空氣吹過冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內熱交換。

● 冷卻水循環部分

該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環系統進行室內熱交換的同時，必將帶走室內大量的熱能。該熱能通過主機內的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔（出水），使之與大氣進行熱交換，降低溫度后再送回主機冷凝器（回水）。

● 主機

主機部分由壓縮機、蒸發器、冷凝器及冷媒（制冷劑）等組成，其工作循環過程如下：

首先低壓氣態冷媒被壓縮機加壓進入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會釋放出大量熱能，這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上，最終釋放到大氣中去。隨后冷凝器中的高壓液態冷媒在流經蒸發器前的節流降壓裝置時，因為壓力的突變而氣化，形成氣液混合物進入蒸發器。冷媒在蒸發器中不斷氣化，同時會吸收冷凍水中的熱量使其達到較低溫度。最后，蒸發器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進入了壓縮機，如此循環往復。

█節能理論

● 中央空調節能改造前的工況

在中央空調系統設計時，冷凍泵、冷卻泵的電機容量是根據建筑物的最大設計熱負荷選定的，都留有一定設計余量。由于四季氣候及晝夜溫差變化，中央空調工作時的熱負荷總是不斷變化。下圖2為一民用建筑物的平均熱負荷情況：

如上圖所示，該中央空調一年中負荷率在50%以下的時間超過了全部運行時間的50%。通常冷卻水管路的設計溫差為5～6℃，而實際應用表明大部分時間里冷卻水管路的溫差僅為2～4℃，這說明制冷所需的冷凍水、冷卻水流量通常都低于設計流量，這樣就形成了中央空調低溫差、低負荷、大工作流量的工況。

在沒有使用節能系統前，工頻供電下的水泵始終全速運行，管道中的供水流量只能通過閥門或回流方式調節，這必會產生大量的節流及回流損失，同時也增加了電機的負荷，白白消耗了許多電能。

中央空調水泵電機的耗電量約占中央空調系統總耗電量的30-40%，故對其進行節能改造具有很明顯的節能效果。

● 節能理論根據

由流體力學理論可知，離心式流體傳輸設備（如離心式水泵、風機等）的輸出流量Q與其轉速n成正比；輸出壓力P（揚程）與其轉速n的平方成正比；輸出功率N與其轉速n的三次方成正比，用數學公式可表示為：

Q ＝ K₁ × n

P ＝ K₂ × n²

N ＝ Q × P ＝ K₃ × n³    (K₁、 K₂ 、K₃為比例常數)

由上述原理可知，降低水泵的轉速，水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機的供電頻率由50Hz降為40Hz，則理論上，低頻40Hz與高頻50Hz的輸出功率之比為(40/50)³=0.512。

實踐證明，在中央空調系統中接入變頻節能系統，利用變頻技術改變水泵轉速來調節管道中的流量，以取代閥門調節及回流方式，能取得明顯的節能效果，一般節電率都在30％以上。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現對中央空調的平穩調節，并可延長機組及管組的使用壽命。

█ 節能方案分析

中央空調各循環水系統的回水與出水溫度之差，反映了整個系統需要進行的熱交換量。因此，根據回水與出水的溫度差來控制循環水的流量，從而控制熱交換的速度，是首選的節能控制方法。

● 冷凍水循環系統

冷凍水的出水溫度是由主機的制冷效果決定的，通常比較穩定，因此冷凍回水溫度可以準確的反映室內的熱負荷情況。由此，對于冷凍水循環系統的節能改造，可以取回水溫度作為控制目標，通過變頻器對冷凍泵流量的自動調節來實現對室內溫度的控制。

● 冷卻水循環系統

冷卻水循環系統同時受室外環境溫度及室內熱負荷兩方面影響，循環水管道單側的水溫不能準確反映該系統的熱交換量，因此以出水與回水之間的溫差作為控制室內溫度的依據是合理的節能方式。在外界環境溫度不變的情況下，溫差大，說明室內熱負荷較大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水循環的速度；相應的，溫差小則減小冷卻泵轉速。

● 方案結構示意圖

根據上述分析，可得出整個節能工程結構示意圖如圖3所示：

圖3  中央空調系統節能改造結構示意圖

由上圖，該節能方案的基本思路為：

分別在主機蒸發器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實時檢測管網的溫度，以模擬信號（0~10V或者4~20mA）反饋給變頻器，通過變頻器內置的PID運算輸出相應的頻率指令后自動調節水泵轉速，從而調節各循環水的熱交換速度，最終實現對室內恒溫度的控制。需要特別說明的是，變頻器內部在設計上集成了溫差反饋處理功能，系統無須另配專用控制模塊。

● 電路控制方案

某公司中央空調機組數據如下表：

三臺水泵中，春秋季節只用一臺，備用兩臺；夏季高峰時常用兩臺，一臺備用。

要求：一臺變頻運行，且可以通過人工方式進行切換，其他可通過人工方式直接啟動到工頻運行。

設計：3臺水泵電機選配1臺變頻器。工作時可選擇任意一臺水泵做主泵、由變頻器直接拖動并且變頻運行（由內置PID進行閉環控制）；其余兩臺水泵做輔泵、由人工依據制冷特點相應進行啟停控制，使電機工頻運行。如下圖所示：

該方案使用EV100系列通用變頻器，“市電”“節電”旁路需要另配電控柜及電氣配件。

● 變頻節能系統特點

1、變頻器界面為LED顯示，監控參數豐富；鍵盤布局簡潔、操作方便；

2、變頻器有過流、過載、過壓、過熱等多種電子保護裝置，并具有豐富的故障報警輸出功能，可有效保護供水系統的正常運作；

3、加裝變頻器后，電機具有軟啟動及無極調速功能，可使水泵和電機的機械磨損大為降低，延長管組壽命；

4、 變頻器內部裝有大容量濾波電容，可有效提高用電設備的功率因數；

5、 該系統實現了對溫度的PID閉環調節，室內溫度變化平穩，人體感覺舒適。

█ 總結

將變頻技術應用于中央空調系統，對提升中央空調自動化水平、降低能耗、減少對電網的沖擊、延長機械及管網的使用壽命，都具有重要的意義。

EV500在恒壓供水中的接線和參數應用

注意事項：

EV500系列變頻在恒壓供水中應用比較廣泛，主要注意壓力表反饋線的接法，可以關閉出水的總閥門，看d-09參數的反饋值是否和設定值差不多，當反饋和設定差不多的時候，變頻才會達到恒壓的效果。壓力值和蘇醒壓力的設定是根據壓力表的百分比算的。

 風機節能改造方案

█ 風機的用電現狀

能源是國家重要的物質，能源的供需矛盾已成為制約我國社會主義經濟建設的主要因素之一。在能源問題上國務院提出“節約與開發并重”的方針，就是依靠技術進步，把節約能源以解決能源問題作為我國重要的技術經濟政策。

據不完全統計，全國風機、水泵、壓縮機就有1500萬臺電動機，用電量占全國總發電量的40～50%，這些電動機大多在低的電能利用率下運行，只要將這些電動機電能利用率提高10～15%，全年可節電300億KW以上。

根據火電設計規程SDJ-79規定，燃煤鍋爐的送、引風機的風量裕度分別為5%和5%～10%，風壓裕度分別為10%和10%～15%。設計過程中很難計算管網的阻力、并考慮到長期運行過程中發生的各種問題，通常總是把系統的最大風量和風壓裕度作為選型的依據，但風機的型號和系列是有限的，往往選取不到合適的風機型號時就往上靠，裕度大于20～30%比較常見。因此這些風機運行時，只有靠調節風門或風道擋板的開度來滿足生產工藝對風量的要求。風機機械特性為平方轉矩特性，風機運行時，靠調節風門或者風道檔板的開度來調節風機風量的方法，稱為節流調節。在節流調節過程中，風機固有特性不變，僅僅靠關小風門或擋板的開度，人為地增加管路的阻力，由此增大管路系統的損失，不利于風機的節能運行。

采用調速控制裝置，通過改變風機的轉速，從而改變風機風量以適應生產工藝的需要，這種調節方式稱為風機的調速控制。風機以調速控制方式運行能耗最省，綜合效益最高。交流電機的調速方式有多種、變頻調速是高效的最佳調速方案，它可以實現風機的無級調速，并可方便地組成閉環控制系統、實現恒壓或恒流量的控制。

█風機節電原理

如圖示為風機風壓H-風量Q曲線特性圖:

n1-代表風機在額定轉速運行時的特性；

n2-代表風機降速運行在n2轉速時的特性；

R1-代表風機管路阻力最小時的阻力特性；

R2-代表風機管路阻力增大到某一數組時的阻力特性。

風機在管路特性曲線R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時風機所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小風量到Q2，實際上通過增加管網管阻，使風機的工作點移到R2上的B點，風壓增大到H2，這時風機所需的功率正比H2Q2的面積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風機所需的功率增大了。這種調節方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節能，是以高運行成本換取簡單控制方式。

若采用變頻調速，風機轉速由n1下降到n2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時變頻調速后風機所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。

█ 變頻改造方案

根據風機配置特作如下變頻改造方案：

1）風機上裝設變頻系統：如圖；

2）設置遠程控制和就地控制兩種方式；

3）保留原工頻系統及其聯動方式，且和變頻器系統互為備用。

變頻節能系統特點

1、采用EV100變頻器，調速范圍寬，變頻器調速范圍能適應各種調速設備的要求，頻率范圍0.00-500.00Hz可調；

2、控制精度高，變頻器的數字設定分辨率為±0.01%,模擬設定分辨率為±0.1%；

3、動態特性好，變頻器采用自關斷器件IGBT速度快，且采用SPWM控制模式，負載電壓和頻率受控變頻器的CPU，故調節速度快，系統的動態性能好；

4、控制功能強，能滿足各種不同的控制系統，通過端子可與各種頻率設定信號連接，如：0~10V，4~20mA。可通過端子控制正反轉等多種操作；

5、通過合理調整轉矩提升，轉矩限定功能，電流限幅功能參數，可滿足大起動轉矩，運行中負載突化也不會引起跳閘等事故；

6、EV100變頻器可與上位計算機或者可編程控制器（PLC）通信，實現遠程設定或修改變頻器參數，監控變頻器的運行狀態等信息，從而組成工業以太網，實現集中控制；

7、保護功能齊全，變頻器有22種保護功能，對過壓、欠壓、過流、過載、過熱均能通過計算機高速計算并給予保護，且能對發生故障的原因給予紀錄；

8、變頻器內部有電機防噪裝置，在線調節載波頻率，實時改變電機的運行噪聲。

█ 總結

   在風機、水泵、壓縮機等應用領域，引入變頻調速控制技術，能達到很好的節能效果，同時，也降低了電機啟動時對電網的沖擊，提高了設備的功率因數，延長了機械系統的使用壽命，提升了系統的可靠性，另外，因為變頻器強大的保護功能，對設備起到了很好的保護作用，有效降低了設備的維護成本。近幾年，隨著變頻調速技術的不斷推廣與應用，從實踐結果來看，得到了良好經濟效應與社會效應，并且，也得到用戶的廣泛認同。

變頻器恒壓供水原理以及接線圖

   1.全自動變頻調速供水設備是應用先進的現代控制理論，結合可編程控制技術、變頻控制技術.電機泵組控制技術的新型機電一體化供水裝置。該設備通過安裝在水泵出水總管上的遠傳壓力表（內為一滑動電阻），將出口壓力轉換成0-10V電壓信號，經A/D轉換模塊將模擬電壓信號轉換成數字量并送入可編程序控制器，經可編程內部PID運算，得出一調節參量并將該參量送入D/A轉換模塊，經數摸轉換后將得出模擬量傳送變頻器，進而控制其輸出頻率的變化，使水量恒定在設定壓力值。

接線圖如下：

 參數好調節;

注意事項：

EV100系列變頻在恒壓供水中應用比較廣泛，主要注意壓力表反饋線的接法，可以關閉出水的總閥門，看P7.06參數的反饋值是否和設定值差不多，當反饋和設定差不多的時候，變頻才會達到恒壓的效果。壓力值和蘇醒壓力的設定是根據壓力表的百分比算的。